李 理，秦兆慧，胡建民

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率是衡量半導(dǎo)體致冷材料電學(xué)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，在半導(dǎo)體熱電材料性能優(yōu)化與研發(fā)過程中電學(xué)參數(shù)的測試方法已經(jīng)基本成熟［1］.但是，在材料的生產(chǎn)過程中電學(xué)參數(shù)的監(jiān)測過程還存在沒有解決的技術(shù)問題.

在熱電材料的生產(chǎn)過程中(以Bi2Te3基取向固溶體晶棒為例)，通常采用熔煉區(qū)熔法生產(chǎn)，區(qū)熔過程中由于熔區(qū)對材料產(chǎn)生分凝作用從而造成在晶棒材料頭、尾的成分偏析使材料的熱電性能發(fā)生變化.通常情況下晶棒的頭、尾部熱電性能較差，需要對晶棒的頭尾進(jìn)行截取回收利用，以降低材料的生產(chǎn)成本［2］.如何準(zhǔn)確選取最佳的截取位置并得到參數(shù)達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品是一個難以解決的問題.生產(chǎn)過程中對材料性能的監(jiān)測，通常采用的方法是先將晶棒切割成小塊條形長方晶體顆粒再逐個測量，這種方法雖然測試結(jié)果精確，但是耗時費力、效率低下.由于塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率三個參數(shù)之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，監(jiān)測其中的一個參數(shù)的穩(wěn)定性即可掌握熱電材料所有熱電性能的變化.此外，對不同電學(xué)參數(shù)的測試一般在單獨的測試平臺進(jìn)行，必然造成測試設(shè)備的重復(fù)設(shè)置、測試成本提高.為解決熱電材料生產(chǎn)和測試過程中存在的上述問題，該文參照國家部頒標(biāo)準(zhǔn)［3］搭建熱電材料電學(xué)參數(shù)測試系統(tǒng)，旨在降低測試成本、提高測試效率和實現(xiàn)生產(chǎn)過程的質(zhì)量檢測功能.

1 綜合測試設(shè)備的原理與結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)熱電材料電學(xué)參數(shù)的監(jiān)測，該文使用兩探針法測試材料電導(dǎo)率的變化.測試探針的間距可調(diào)，從而能夠測試熱電材料晶棒任意區(qū)間的電導(dǎo)率.測試裝置如圖1(a)所示.

圖1(a)中1為測試儀表、電源接入端，2為測試探針，3為待測樣品.采用歐姆定律測試原理可以同時實現(xiàn)小塊樣品的精確測試，測試原理示意圖如圖1(b)所示.1為測試儀表和電源接入端，2為雙刀雙擲換向開關(guān)，3為待測樣品.

為提高塞貝克系數(shù)測試效率，本裝置采用電位平衡法實現(xiàn)對材料溫差電動勢率的測量，測量原理示意圖如圖2所示.圖2中K1為單刀開關(guān)，K2為雙刀開關(guān)，K3和K4為雙刀雙擲開關(guān).標(biāo)準(zhǔn)溫差調(diào)試電路采用溫差代換的方式實現(xiàn)待測樣品兩端溫差恒定［4］.

圖1 電導(dǎo)率測試裝置示意圖

圖2 塞貝克系數(shù)測試裝置示意圖

為降低測試設(shè)備成本，該文將電導(dǎo)率與塞貝克系數(shù)測試裝置進(jìn)行集成裝配共用測試電表和電源，將圖1中電導(dǎo)率測試端子和圖2中的塞貝克系數(shù)測試端子通過四相轉(zhuǎn)換開關(guān)接入數(shù)字萬用表和數(shù)顯電源搭建成熱電參數(shù)綜合測試裝置，裝配原理示意圖如圖3所示.如圖3可見，測試不同電學(xué)參數(shù)只需將四相轉(zhuǎn)換開關(guān)分別撥至相應(yīng)的測試端，然后根據(jù)不同參數(shù)測試需要適當(dāng)選擇數(shù)字萬用表和電源的相應(yīng)檔位，參照不同參數(shù)測試原理和要求進(jìn)行測試.圖3所示的綜合測試裝置可以另外添加熱導(dǎo)率測試端子可以同時實現(xiàn)熱導(dǎo)率測試，鑒于熱導(dǎo)率測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性(如循環(huán)水系統(tǒng)和溫差測試系統(tǒng)等)，在此裝置示意圖中沒有給出，使用者可以根據(jù)實際需要酌情考慮加入.

圖3 電學(xué)參數(shù)綜合測試裝置示意圖

2 測試結(jié)果

為驗證半導(dǎo)體熱電材料綜合測試裝置的實用性，該文測試了贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率.贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料［5］采用熱壓法制備，并在惰性氣體環(huán)境下經(jīng)300℃燒結(jié)30 min，隨爐冷卻至室溫后測試樣品的電學(xué)參數(shù)，相應(yīng)的測試結(jié)果列于表1中.由表1中測試結(jié)果可見，經(jīng)300℃燒結(jié)后贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率得到改善，同時降低了材料的熱導(dǎo)率，從而熱電優(yōu)值明顯提高，這說明一定的燒結(jié)溫度對提高贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的熱電性能是有利的.

表1 Bi2Te3基贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料電學(xué)參數(shù)測試結(jié)果

3 結(jié)束語

該文基于熱電材料電學(xué)參數(shù)基本原理搭建半導(dǎo)體熱電材料電學(xué)參數(shù)綜合測試裝置，一方面可以實現(xiàn)熱電材料研發(fā)中電學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測量，降低測試設(shè)備制造成本并提高測試效率;另一方面能夠?qū)崿F(xiàn)熱電材料生產(chǎn)過程中對材料性能的適時監(jiān)測.此外，通過測試贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率驗證了測試裝置的實用性.一定溫度下的燒結(jié)工藝有利于提高贗三元碳纖維摻雜復(fù)合熱電材料的熱電性能.

［1］孟慶國，胡建民，曲秀榮.一種控制熱源加熱的比較穩(wěn)態(tài)法測定熱導(dǎo)率裝置［J］.中國科技信息，2014(17):27－28.

［2］榮劍英，趙秀平，李將錄，等.p型贗三元溫差電材料的研制［J］.人工晶體學(xué)報，1993，22(1):15–18.

［3］國家電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)，SJ2857－88.

［4］胡建民，李理，王月媛.半導(dǎo)體熱電材料溫差電動勢率的測試裝置及測試方法.專利申請?zhí)?201510028196.X，2015.

［5］劉楊.碳纖維摻雜P型Bi2Te3基贗三元熱電材料的制備與性能.哈爾濱師范大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文，2013.